CC BY
68
УДК 544.722.22
Н. В. Саутина, Л. М. Мингазова, Ю. Г. Галяметдинов
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕЖФАЗНЫХ СВОЙСТВ ПАВ НА ГРАНИЦЕ ВОДА / ОЛИВКОВОЕ МАСЛО
Ключевые слова: эмульсии, микроэмульсии, межфазное натяжение, индекс полярности масла, адсорбция.
Исследовано межфазное натяжение ПАВ на границе вода / оливковое масло. Рассчитаны термодинамические параметры адсорбции этих ПАВ на межфазной границе вода/оливковое масло, найдены значения критических концентраций мицеллообразования ПАВ и их поверхностной активности. Найдена корреляция полученных результатов на границе с оливковым и вазелиновым маслами. Установлена зависимость межфазного натяжения ПАВ от полярности масла.
Keywords: emulsion, microemulsion, interfacial tension, index of oil polarity, adsorption.
The interfacial tension of surfactant at the water / olive oil interface was investigated. The thermodynamic parameters of surfactant's adsorption at the water / olive oil interface, the critical micelle concentration of surfactants and their surface activity were found. The correlation of the results on the border with olive and vaseline oil was obtained. The influence of oil polarity on the interfacial tension of the surfactant was established.
Введение
Возможность введения в эмульсионные системы веществ с различными физико-химическими свойствами, способных активно воздействовать на биохимические процессы в кожных структурах (аминокислоты, минеральные соли, углеводы, жирные кислоты, витамины, гормоны и многие др.), позволяет увеличить их биодоступность и направленно действовать на определенные нарушения структуры и свойств кожной поверхности [1].
Безопасность воздействия, стабильность физико-химических характеристик, проницаемость препаратов, их доставка в организм являются основными задачами для разработчиков косметических и фармацевтических средств. Наиболее эффективны и удобны в этом плане микроэмульсии, представляющие собой
прозрачные, оптически изотропные,
термодинамически устойчивые дисперсные системы, самопроизвольно образующиеся при смешивании нерастворимых друг в друге воды и масла в присутствии поверхностно-активных веществ (ПАВ) [2]. В настоящее время их все больше используют в качестве систем доставки полезных веществ в клетки организма [3-8].
Для получения стабильных микроэмульсий необходимо достичь низкого межфазного натяжения на границе вода/масло [9]. В случае исследования свойств ПАВ на границе жидкость - жидкость, наличие над слоем первой жидкости слоя другой, несмешивающейся с ней жидкости, приводит к более низкому значению межфазного натяжения, чем на границе с воздухом, поскольку молекулы второй жидкости притягивают к себе молекулы первой и таким образом уменьшают действие некомпенсированных сил на поверхности первой жидкости. Понижение межфазного поверхностного натяжения, очевидно, тем значительнее, чем меньше различие в полярностях обеих жидкостей [10].
В качестве эмульгаторов в настоящее время используются ПАВ, спирты [11],
моноацилглицеролы разных марок, производные моноацилглицеролов с лимонной, молочной, янтарной, уксусной кислотами и фосфолипидами, эфиры полиглицерола [12]. Однако, большинство исследуемых ПАВ являются синтетическими, что при введении в косметические и лекарственные препараты может вызвать аллергические реакции и плохую переносимость препарата организмом. В связи с этим, актуальным является поиск новых биоразлагаемых ПАВ.
В данной работе представлены результаты исследования межфазной активности ПАВ, полученных из природного сырья и некоторых синтетических ПАВ на границе раздела вода/оливковое масло.
Экспериментальная часть
В качестве объектов исследования были выбраны водорастворимые неионогенные ПАВ: оксиэтилированны алкилфенол со степенью оксиэтилирования n=8 (ОЭ АФ 9-8) (производство ОАО «Нижнекамскнефтехим»), монододециловый эфир тетраэтиленгликоля (C12EO4) («Aldrich»), монододециловый эфир декаэтиленглиоля (C12EO10) («Aldrich»), а также анионные водорастворимые биоразлагаемые ПАВ, синтезированные на основе природных компонентов - Sodium Cocoyl apple amino acids (Proteol Apl) и Sodium Lauroyl Oat Amino Acids (Proteol Oat) (Италия), а также маслорастворимый эмульгатор Polyglyceryl-3 Methyglucose Distearate (Planta-M)
(Великобритания).
В качестве масляной фазы применялось оливковое масло. Оно богато витаминами и микроэлементами, обладает дезинфицирующим и ранозаживляющим действием [13]. В нем не содержатся животные жиры, парабены, химические загустители и стабилизаторы [14].
Для измерения межфазного натяжения водных растворов ПАВ использовали сталагмометрический метод.
Значения адсорбции (Г) для различных концентраций ПАВ рассчитывали по
RT
фундаментальному адсорбционному уравнению Гиббса:
dy dc
где с - концентрация ПАВ, г/л, Т - температура, К.
Значение предельной адсорбции находили графически из графического решения уравнения Ленгмюра:
Г„ = ctg 9,
где 9 - угол наклона прямой к абсциссе (график С(С/Г)).
Площадь S0, приходящуюся на одну молекулу в насыщенном адсорбционном слое, вычисляют по уравнению:
So = 1/(Nar»),
где Na - число Авогадро, Г. - предельная адсорбция. Поверхностная активность определялась исходя из графика, представленного на рис. 1 по формуле: G =-d у /dC при С^0.
Обсуждение результатов
На основании полученных результатов были построены изотермы межфазного натяжения (рис.1). Полученные изотермы имеют классический вид. С увеличением концентрации ПАВ межфазное натяжение значительно уменьшается и выходит на постоянное значение.
Рис. 1 - Межфазное натяжение ПАВ на границе вода / оливковое масло: 1 - Proteol Apl, 2 - Planta - M, 3 - C12EO4, 4 - C12EO10, 5 - Proteol Oat, 6 -ОЭ АФ 9-8
При этом, значения межфазного натяжения на границе вода/масло значительно ниже, чем полученные ранее значения поверхностного натяжения [15]. Наименьшее значение межфазного натяжения (у = 6,74 мН/м) удалось достичь при использовании ОЭ АФ с n=8.
Ранее, в работе [16] были исследованы межфазные характеристики исследуемых ПАВ на границе с вазелиновым маслом. Представляло интерес сравнить поведение этих ПАВ на границе с маслами, отличающимися по полярности. Несмотря на то, что принято считать, что масляная фаза -неполярная, можно говорить об относительной полярности того или иного масла в линейке масел. Известно, что чем выше индекс полярности, тем
полярность масла ниже. Оливковое масло значительно более полярно (индекс полярности 6,9), чем вазелиновое (индекс полярности 43,7) [17].
На рис. 2 представлена диаграмма межфазного натяжения ПАВ на границе с вазелиновым и оливковым маслом. Полученные результаты говорят о зависимости межфазного натяжения ПАВ от полярности масла. Чем выше полярность масла, тем межфазное натяжение также выше в случае водорастворимых ПАВ и обратная зависимость наблюдается для маслорастворимых ПАВ (Р1аи1а-М).
Рис. 2 - Диаграмма сравнения межфазного натяжения ПАВ на границе вода/вазелиновое масло и вода/оливковое масло: 1 - Рг^ео1 Ар1, 2 -Р1а^а-М, 3 - С12Е04, 4 6 - ОЭ АФ 9-8, § -вазелиновое масло
- C12EO10, 5 - Proteol Oat, оливковое масло, ■ -
Изотермы адсорбции исследуемых ПАВ на межфазной границе вода/оливковое масло строили по полученным изотермам межфазного натяжения (рис.3).
Рис. 3 - Изотермы адсорбции ПАВ на межфазной границе вода/ оливковое масло: 1 - ОЭ АФ 9-8, 2 - С12ЕО4, 3 - C12EO10, 4 - Proteol Oat, 5 - Planta-M, 6 - Proteol Apl
Рассчитаны значения поверхностной активности ПАВ (G), предельной адсорбции (Г«) и площади, занимаемой молекулой ПАВ в поверхностном слое (So).
Данные представлены в таблице 1.
Наибольшей адсорбционной способностью обладает ОЭ АФ, наименьшей - Рго1ео1 Ар1, возможно это связано с большой площадью молекулы Рго1ео1 Ар1, что затрудняет ее выход на границу раздела фаз.
Таблица 1 - Межфазные характеристики ПАВ
ПАВ G, Гм-10°, S0-1020 ККМ,
Дж-л/г г/м2 м2 г/л
ОЭ АФ 1,89 11,67 14,23 0,015
9-8
C12EO4 0,40 8,45 19,65 0,05
C12EO10 4,25 9,74 17,05 0,10
Proteol 0,27 4,09 40,60 0,05
Apl
Proteol 4,53 10,95 15,17 0,10
Oat
Planta-M 0,24 8,56 19,40 0,05
Полученные результаты показывают, ОЭ АФ способен хорошо снижать межфазное натяжение, однако его содержание в больших количествах отрицательно влияет на кожу человека. В то же время, Proteol Apl, обладая хорошей совместимостью с компонентами рецептуры, биоразлагаемостью, не способен существенно снижать межфазное натяжение вода / масло. Следовательно, этот ПАВ может быть использован в микроэмульсионных системах только как со-ПАВ, в том числе в смесях с ОЭ АФ.
Другой анионный ПАВ, полученный из природного сырья Proteol Oat значительно снижает межфазное натяжение и хорошо адсорбируется на границе раздела. Возможно, этот ПАВ будет стабилизировать эмульсии масло-в -воде.
Интерес вызывает неионный PEG-free эмульгатор растительного происхождения Planta-M, благодаря способности к образованию жидкокристаллических (ЖК) структур. В косметических средствах ЖК фазы формируют мультиламеллярную липидную структуру и, таким образом, продукт имеет большое сродство к коже и способствует ее регенерации [17]. Этот эмульгатор может быть использован как со-ПАВ в жидкокристаллических эмульсионных системах.
Таким образом, исследованы межфазные и адсорбционные характеристики ПАВ на границе водный раствор / оливковое масло. Показано, что природные ПАВ - Proreol Apl и Planta-M могут быть использованы как со-ПАВ в эмульсионных
системах, в том числе в смесях с эффективным синтетическим ПАВ - оксиэтилированным алкилфенолом, а анионный ПАВ - Proteol Oat, возможно, будет самостоятельно стабилизировать эмульсии масло-в-воде.
Следовательно, по значениям межфазного натяжения и адсорбции на границе раздела фаз можно предсказать поведение ПАВ в микроэмульсионных системах.
Литература
1. G. Montalvo, R. Pons, G. Zhang, M. Diaz, M. Valiente. Langmuir, 29, 47, 369 - 379 (2013).
2. B. T. Figiel W. Figie., Journal of Dispersion Science and Technology, 29, 611-616 (2008).
3. M Pandey, V. Belgamwar, S. Gattani, S. Surana, A. Tekade. Drug Deliv., 17, 38-47 (2010).
4. В.Н. Анатьев, Ю. Т. Новиков, В.А. Фурин, А.А. Чесноков, Л.П.Ларионов. Журнал научных статей «Здоровье и образование вXXI веке»., 1, 18-22 (2009)
5. С.В. Москвин, Е.Г. Зарубина, Н.А.Лысов, Е.В. Антпов, Вестник новых медицинских технологий, 1, 79-83 (2011).
6. J. Zhang, C. Li, Z. Y. Xue, H. W. Cheng, F. W. Huang, R. X. Zhuo, X. Z. Zhang, Acta Biomater, 7, 1665-1673 (2011).
7. E. A. Decker, Y. Park, J. Weiss. Critical Reviews in Food Science and Nutrition., 49, 577-606(2009).
8. K. Sharmaa, A. Kumarb. Journal of Dispersion Science and Technology, 33, 1411-1449 (2012).
9. J. Acosta, А. David, A. Sabatini, F. John. Separation Science and Technology, 40, 1537 - 1553 (2005).
10. Т.В. Тихонова, Е.Н. Мамыкина, К.И. Киенская, Хiмiя, фiзика та технолога поверхш, 2, 4, 475-481 (2011).
11. К.В. Алексеев, Н.В Тихонова, Е.В Блынская, Г.К Турчинская, Н.А Уваров, Е.Е Лазарева, Вестник новых медицинских технологий, 4,123 (2011).
12. Д.В. Невмывака, И.Н. Дкмидов, В^ник НТУ «ХП1», 16, 127-134 (2014).
13. Л.А. Прокопова, Е.С. Степанова, А.Н. Бизюкова, Н.М. Мурашова, Успехи в химии и химической технологии, 6, 64-66 (2014).
14. Н.В. Саутина, Р.Р. Идиятдинова, С.А. Богданова. Вестник КГТУ, 7, 50 - 54 (2013).
15. Н.В. Саутина, А.В. Паничкина, С.А. Богданова, Ю.Г. Галяметдинов. Вестник КГТУ, 5, 32-35(2014).
16. Е.И. Эрнандес, А.А. Марголина, А.О. Петрухина. «Липидный барьер кожи и косметические средства», 238 - 244 (2003).
17. 40. Z. Diao, L. Li, Z. Wang, et al, Коллоид. Журн., 5, 620 - 628 (2011).
© Н. В. Саутина - канд. хим. наук, жоц. каф. технологии косметических средств КНИТУ, [email protected]; Л. М. Мингазова -бакалавр той же кафедры; Ю. Г. Галяметдинов - д-р хим. наук, проф., зав. каф. физической и коллоидной химии КНИТУ, [email protected].
© N. V. Sautina, Ph.D., Associate Professor, Department of Technology in cosmetics KNRTU, [email protected]; L. M. Mingazova, baccalaureate, Department of Technology in cosmetics KNRTU; Yu. G. Galyametdinov, PhD, Professor, Head of the Department of Physical and Colloid Chemistry KNRTU, [email protected].
